信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱模塊組成介紹

 “信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱”是在多年開(kāi)設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)研制成功的。是專(zhuān)門(mén)為《信號(hào)與系統(tǒng)》課程而設(shè)計(jì)的，提供了信號(hào)的頻域、時(shí)域分析的實(shí)驗(yàn)手段。利用該實(shí)驗(yàn)箱可進(jìn)行階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)的時(shí)域分析；借助于ＤＳＰ技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)卷積、信號(hào)頻譜的分析與研究、信號(hào)的分解與合成的分析與實(shí)驗(yàn)；抽樣定理與信號(hào)恢復(fù)的分析與研究；連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的模擬；一階、二階電路的暫態(tài)響應(yīng)；二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡顯示、各種濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)箱采用了DSP數(shù)字信號(hào)處理新技術(shù)，將模擬電路難以實(shí)現(xiàn)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果不理想的“信號(hào)分解與合成”、“信號(hào)卷積”等實(shí)驗(yàn)得以準(zhǔn)確地演示，并能生動(dòng)地驗(yàn)證理論結(jié)果；系統(tǒng)地了解并比較無(wú)源、有源、數(shù)字濾波器的性能及特性，并可學(xué)會(huì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)箱配有DSP標(biāo)準(zhǔn)的JTAG插口及DSP同主機(jī)PC機(jī)的通信接口，可方便學(xué)生在我們提供的軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)（可用仿真器或不用仿真器），完成一些數(shù)字信號(hào)處理、ＤＳＰ應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)。如：各種數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、頻譜分析、卷積、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換、ＤＳＰ定時(shí)器的使用、ＤＳＰ基本Ｉ／Ｏ口使用等。該實(shí)驗(yàn)箱的系統(tǒng)分布圖如圖1-1所示。

       圖1-1   實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分布示意圖

它由以下模塊組成：

1.         電源輸入模塊

2.         信號(hào)源模塊

3.         數(shù)字濾波器模塊

4.         主機(jī)接口與二次開(kāi)發(fā)區(qū)

5.         數(shù)字信號(hào)處理器模塊

6.         CPLD編程開(kāi)放模塊

7.         信號(hào)分解與合成模塊

8.         信號(hào)卷積實(shí)驗(yàn)?zāi)K

9.         一階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊

10.     二階電路傳輸特性模塊

11.     二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊

12.     階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)模塊

13.     抽樣定理模塊

14.     模擬濾波器模塊

15.     基本運(yùn)算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬模塊

16.     頻率表與毫伏表

各模塊的的具體作用將在第二節(jié)中介紹。

第一節(jié)          各實(shí)驗(yàn)?zāi)K介紹

在本節(jié)中，將分別介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的各個(gè)模塊單元。在第一節(jié)的系統(tǒng)介紹中，已介紹了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由16個(gè)模塊組成。

1.         電源輸入模塊

此模塊位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的右上角部分，分別提供 +12v、+5v、-12 v、-5 v的電源輸出。４組電源對(duì)應(yīng)４個(gè)發(fā)光二極管，電源輸出正常時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管亮。

2.         信號(hào)源模塊

提供的波形種類(lèi)有：正弦波、三角波、方波、半波、全波

信號(hào)的頻率范圍：1Hz—200KHz，可分別通過(guò)按鈕調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率、占空比和掃速，通過(guò)電位器旋鈕信號(hào)的幅度。

有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

TP702  輸出的信號(hào)波形（正弦波、三角波、方波、掃頻信號(hào)，全波，半波）；

TP701  點(diǎn)頻信號(hào)輸出

                   信號(hào)插孔：

                            P702：信號(hào)源信號(hào)輸出插孔，P701：點(diǎn)頻信號(hào)輸出插孔。

3.         數(shù)字濾波器模塊

完成模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）、運(yùn)算單元DSP、濾波輸出的數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換

有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

TP101  A/D前的模擬信號(hào)波形；

                   信號(hào)插孔：

                            P101：模擬信號(hào)輸入插孔。

4.         主機(jī)接口與二次開(kāi)發(fā)區(qū)

此模塊由USB接口、CPLD、DSP的JTAG插座等組成。ＤＳＰ程序可以來(lái)自固化在U104中的例題程序或來(lái)自ＰＣ機(jī)的學(xué)生開(kāi)發(fā)程序。U104中的例題程序可由SW101來(lái)選擇,按下SW101按鈕選擇不同的程序號(hào)，在數(shù)碼管SMG101上將顯示程序號(hào)。

SW102：復(fù)位鍵開(kāi)關(guān)，SW101改變后必需復(fù)位一次。

5.         數(shù)字信號(hào)處理器模塊

由TMS320C5402和AD、DA等模塊組成，完成數(shù)字信號(hào)處理的各種運(yùn)算。

有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

TP102：指示ＤＳＰ通用I/O口ＸＦ的電平

TP103： 指示DSP定時(shí)器定時(shí)輸出信號(hào)TOUT

　　　　三個(gè)指示燈：分別指示ＤＳＰ是否在運(yùn)行；ＸＦ狀態(tài)；ＴＯＵＴ狀態(tài)

         通過(guò)按鈕和數(shù)碼管指示進(jìn)行程序選擇，可選擇六個(gè)運(yùn)行程序，默認(rèn)顯示為零。

   程序號(hào)為1－6，選擇到6時(shí)，需按一此復(fù)位按鈕SW101，復(fù)位到0，重新開(kāi)始。

6.         CPLD可編程模塊

完成信號(hào)電平轉(zhuǎn)換、主機(jī)接口中各控制信號(hào)產(chǎn)生、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ片選信號(hào)和控制信號(hào)產(chǎn)生等功能。

7.         信號(hào)分解與合成模塊

此模塊位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的中部，主要完成信號(hào)的分解與合成，模塊的上半部分為信號(hào)的分解，下半部分為信號(hào)的合成。信號(hào)的分解部分提供了8個(gè)波形輸出測(cè)量點(diǎn)，TP801、TP802……TP808；TP801—TP807分別為信號(hào)的1—7次諧波輸出波形，第8個(gè)測(cè)量點(diǎn)TP808為8次以上諧波的合成輸出波形；信號(hào)合成的部分中，把分解輸出的各次諧波信號(hào)連接輸入至合成部分，在合成的輸出測(cè)量點(diǎn)上可觀察到合成后的信號(hào)波形。

此模塊上還有四個(gè)開(kāi)關(guān)，K801、K802…K804。這四個(gè)開(kāi)關(guān)的作用是用于選擇是否對(duì)分解出的1次、3次、5次、7次諧波幅度進(jìn)行放大（便于研究諧波幅度對(duì)信號(hào)合成的影響）：當(dāng)開(kāi)關(guān)位于1、2位置時(shí)不放大，當(dāng)開(kāi)關(guān)位于2、3位置時(shí)可通過(guò)相應(yīng)電位器調(diào)節(jié)諧波分量的幅度。如：對(duì)于輸出的基波分量，當(dāng)開(kāi)關(guān)K801位于1、2位置時(shí)，電位器W801不起任何作用，直接把分解提取到的基波輸出；當(dāng)開(kāi)關(guān)K801位于2、3位置時(shí)，分解提取到的基波分量可通過(guò)電位器W801來(lái)調(diào)節(jié)它的輸出幅度的大小。

信號(hào)插孔：P801-P808 信號(hào)分解時(shí)各次諧波的輸出插孔。

8.         信號(hào)卷積實(shí)驗(yàn)?zāi)K

此模塊在信號(hào)分解模塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只有三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別為兩個(gè)輸入信號(hào)測(cè)量點(diǎn)，一個(gè)卷積后的信號(hào)輸出波形測(cè)量點(diǎn)。輸入的信號(hào)為經(jīng)過(guò)A/D和D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)。

9.         一階電路暫態(tài)響應(yīng)模塊

此模塊可根據(jù)自己的需要搭接一階電路，觀測(cè)各點(diǎn)的信號(hào)波形。

有3個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

TP902、TP903：一階RC電路輸出信號(hào)波形測(cè)量點(diǎn)；

TP907       ：一階RL電路輸出信號(hào)波形測(cè)量點(diǎn)。

                   信號(hào)插孔：

                            P901、P906：信號(hào)輸入插孔；

                            P902、P903、P904、P905、P907、P908、P909：電路連接插孔。

10.     二階電路傳輸特性模塊

此模塊亦可根據(jù)需要搭接二階電路，觀測(cè)各測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)波形。

有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

TP201：二階RC電路傳輸特性測(cè)量點(diǎn)；

TP202：二階RL電路傳輸特性測(cè)量點(diǎn)。

                   信號(hào)插孔：

                            P201、P202：信號(hào)輸入插孔。

11.     二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡模塊

此模塊除完成二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡觀察的實(shí)驗(yàn)，還可完成二階電路暫態(tài)響應(yīng)觀察的實(shí)驗(yàn)。

有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

TP904、TP905：輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)

                   信號(hào)插孔：

                            P910：信號(hào)輸入插孔。

12.     階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)模塊

接入適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)，可觀測(cè)輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)。

有兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

                   TP913：沖激信號(hào)觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP906：沖激響應(yīng)，階躍響應(yīng)信號(hào)輸出觀測(cè)點(diǎn)。

信號(hào)插孔：

                   P912、P914：信號(hào)輸入插孔；

                   P913：電路連接插孔。

13.     抽樣定理模塊

通過(guò)本模塊可觀測(cè)到抽樣過(guò)程中各個(gè)階段的信號(hào)波形。

有四個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

                   TP601：輸入信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                       TP603：輸入信號(hào)經(jīng)采樣后的信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP604：抽樣信號(hào)經(jīng)濾波器恢復(fù)后的信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)。

信號(hào)插孔：

                   P601：信號(hào)輸入插孔；

                   P602：抽樣脈沖信號(hào)輸入插孔；

                   P603：抽樣信號(hào)輸出插孔；

                   其它：元器件選擇插孔。

14.     模擬濾波器模塊

提供了多種有源無(wú)源濾波器，包括低通無(wú)源濾波器、低通有源濾波器、高通無(wú)源濾波器、高通有源濾波器、帶通無(wú)源濾波器、帶通有源濾波器、帶阻無(wú)源濾波器和帶阻有源濾波器。根據(jù)自己的需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

有8個(gè)測(cè)量點(diǎn)：

                   TP401：信號(hào)經(jīng)低通無(wú)源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP402：信號(hào)經(jīng)低通有源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP403：信號(hào)經(jīng)高通無(wú)源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP404：信號(hào)經(jīng)高通有源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP405：信號(hào)經(jīng)帶通無(wú)源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP406：信號(hào)經(jīng)帶通有源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP407：信號(hào)經(jīng)帶阻無(wú)源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

                   TP408：信號(hào)經(jīng)帶阻有源濾波器后的輸出信號(hào)波形觀測(cè)點(diǎn)；

信號(hào)插孔：

                   P401、P402、P403、P404、P405、P406、P407、P408：信號(hào)輸入插孔；

15.     基本運(yùn)算單元與連續(xù)系統(tǒng)的模擬模塊

本模塊提供了很多開(kāi)放的電阻電容，可根據(jù)需要搭接不同的電路，進(jìn)行各種測(cè)試。如可實(shí)現(xiàn)加法器、比例放大器、積分器及一階系統(tǒng)的模擬。

信號(hào)插孔：

                   P301、P302：運(yùn)算放大器U301A的輸入信號(hào)插孔；

                   P303：運(yùn)算放大器U301A的輸出信號(hào)插孔；

                   P305、P306：運(yùn)算放大器U301B的輸入信號(hào)插孔；

                   P307：運(yùn)算放大器U301B的輸出信號(hào)插孔；

    P340、P341、P342：10K電位器插孔；

                  

16.     頻率表與毫伏表

頻率表顯示信號(hào)源輸出的信號(hào)的頻率值，毫伏表顯示信號(hào)源輸出信號(hào)的幅度的平均值（正弦信號(hào)有效值），指示范圍為０－10Ｖ。

信號(hào)源

本節(jié)將對(duì)信號(hào)源部分作進(jìn)一步的介紹和講解。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用DDS信號(hào)源，信號(hào)選擇靈活方便。通過(guò)此節(jié)學(xué)習(xí)，同學(xué)能夠進(jìn)一步了解信號(hào)源的操作和使用，建議學(xué)校把此節(jié)作為一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。信號(hào)源操作區(qū)示意圖如圖3-1所示。

圖3-1   信號(hào)源操作區(qū)示意圖

首先，對(duì)信號(hào)源部分的各個(gè)元器件作一個(gè)介紹：

J702： 波形選擇開(kāi)關(guān)（正弦波、三角波、方波、掃頻、半波、全波）

K701： 信號(hào)輸出選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)置于“函數(shù)”位置時(shí)，輸出三角波、正弦波、

掃頻、半波、全波等信號(hào)；當(dāng)開(kāi)關(guān)置于“方波”位置時(shí)，輸出方波信號(hào)。

W701：信號(hào)幅度調(diào)節(jié)旋鈕。

TP702：函數(shù)信號(hào)輸出測(cè)量點(diǎn)，信號(hào)默認(rèn)的輸出頻率為2K。

TP701：點(diǎn)頻信號(hào)測(cè)量點(diǎn)。

SW704：點(diǎn)頻輸出選擇，選擇不同的組合，可以輸出不同頻率和占空比的脈沖，地址開(kāi)關(guān)撥到上面為“1”，地址開(kāi)關(guān)撥到下面為“0”。

1234（SW704選擇開(kāi)關(guān)）	F（頻率）	2/t（占空比）
0101	3k	1/2
0110	3k	1/4
0111	3k	1/8
1001	6k	1/2
1010	6k	1/4
1011	6k	1/8
1101	12k	1/2
1110	12k	1/4
1111	12k	1/8

    

S705： 頻率和占空比“＋\－”切換按鈕：

 = 1 \* ROMAN I、 S705彈起時(shí)，按下頻率調(diào)節(jié)按鈕頻率減??；

 = 2 \* ROMAN II 、S705按下時(shí)，按下頻率調(diào)節(jié)按鈕，頻率增加；

 = 3 \* ROMAN III、S705彈起時(shí)，按下占空比調(diào)節(jié)按鈕占空比減??；

 = 4 \* ROMAN IV、S705按下時(shí)，按下占空比調(diào)節(jié)按鈕占空比增加。

S701、S702、S703：頻率調(diào)節(jié)按鈕；按一次S701按鈕，輸出信號(hào)頻率增加或減小

100Hz，按一次S702按鈕，輸出信號(hào)頻率增加或減小1KHz，按一次S703按鈕，

輸出信號(hào)頻率增加或減小10KHz ；

S704： 占空比調(diào)節(jié)按鈕，輸出信號(hào)默認(rèn)占空比為1/2，每按一次此按鈕占空比增加或減小1/8，最小占空比為1/8。

P101： 毫伏表測(cè)量輸入插孔，做實(shí)驗(yàn)時(shí)需把它同P702相連，此時(shí)可測(cè)得輸出信號(hào)有效值，也可把外加信號(hào)送至此插孔測(cè)量其有效值。

信號(hào)源波形的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)步驟：

1.       實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)加電，在J702選擇開(kāi)關(guān)上選擇一種信號(hào)，如正弦信號(hào)；

2.       默認(rèn)輸出信號(hào)的頻率為1K，此時(shí)頻率表應(yīng)顯示“001000”；

3.       連接P702和P101將輸出的信號(hào)送至毫伏表顯示；

4.       在TP702上接示波器進(jìn)行觀察；

5.       調(diào)節(jié)W701信號(hào)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，可在示波器上觀察到信號(hào)幅度的變化；

6.       按下信號(hào)占空比調(diào)節(jié)按鈕S704，可在示波器上觀察到信號(hào)占空比或?qū)ΨQ(chēng)性的變化；

7.       按下信號(hào)頻率調(diào)節(jié)按鈕，可在示波器上觀察到信號(hào)頻率的變化；

8.       選擇開(kāi)關(guān)J702選擇其它的信號(hào)類(lèi)型，重復(fù)上面的步驟進(jìn)行波形的觀察。